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Dispositifs de protection par relais de distance.
On sait que, dans les relais de distance, la durée de fonctionnement dépend de la distance entre l'endroit du défaut et la position du relais, cette distance se manifes- tant par l'impédance ou la réactance de la ligne entre le défaut et le relais ou par une autre grandeur dépendant de la distance.
Le relais de distance peut donc être un relais de réactance, un relais d'impédance, un relais de résistance ou un relais mixte fonctionnant, par exemple, sous l'influence d'une grandeur dans laquelle la réactance et la résistance interviennent dans des proportions appropriées.
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Un dispositif de protection basé sur la distance comprend habituellement les éléments suivants:
1 Le refais de distance proprement dit, dont le fonctionnement est influencé par la réactance, l'impédance de la partie de la ligne comprise entre l'emplacement du relais et 1''endroit du défaut.
2 Un niais directionnel, qui empêche le fonction- nement de l'ensemble lorsque la puissance n'a pas le sens convenable.
3 Un relais de mise en route chargé de provoquer le fonctionnementde la protection lorsqu'un défaut se pro- duit en -Lui point du réseau.
4 Un relais à temps qui règle le temps au bout duquel le système de protection fonctionnera suivant l'empla- cément du défaut.
Les dispositifs de protection faisant l'objet de la présente invention sont caractérisés principalement par le fait que le relais de distance sert en mène temps comme re- lais directionnel et par le fait que le relais influe sur l'un des circuits de courant du relais de distance.
Les relais de mise en route peuvent être des relais basés sur le déséquilibrage des courants, ce qui a l'avantage' de réduire le nombre d'éléments.
A titre d'exemple, on décrira ci-dessous plusieurs formes de réalisa Mon. Dans le premier de ces exemples on supposera que chaque bobine fixe du relais de distance est parcourue par le courant d'une phase ou un courant propor- tionnel et que J'une des bobines est parcourue par un courant dérivé sur un shunt en série avec les bobines fixes. Les au- tres (.temples indiquer! des montages pour le relais de dis- 'tance permettant d'obtenir des 'résultats plus précis dans certains cas, par exemple dans le cas d'un, défaut entre fils
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de lignes, le feeder protégé étant charge, ou dans le cas de défauts à la terre.
La Fig. 1 représente schématiquement un relais de distance type électrodynamique réalisé sous forme de balance; la fig. 2 donne le schéma du montage de ce relais avec le dispositif de réglage par relais à temps ; laFig. 3 donne le schéma de montage des relais de mise en route.
La Fig. 4 est un schéma expliquant le deuxième exem- ple de montage.
La Fig. 5 est un schéma expliquant le troisième exemple de montage et
Fig. 6 est un schéma expliquant le quatrième exemple de montage.
EXEMPLE I
Dans la fig. l:a est l'équipage mobile d'une balance électrodinamique, de préférence sans fer, portant deux bobi- nes g, h et un bras de contact i, et pouvant tourner autour d'un axe b.
La bobine g se trouve placée entre deux bobines fixes c et d, et la bobine h entre deux autres bobines fixes e et f. Les 4 bobines ce d, e,f sont montées en série et parcourues par le courant d'une phase ou un courant propor- tionnel. La bobine h montée en série avec une réactance, une capacité ou une résistance ou encore une combinaison de ces éléments, est alimentée normalement par une tension composée du circuit.
Dans la fig. 2 qui indique un schéma de montage, les bobines c et d ont été représentées par une seule bobine ..:.±Si, les bobines e et f par une bobine ef; les bobines de l'équipage mobile sont g et h, cette dernière étant en série avec la bobine de réactance L.
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Les bobines fixes sont en série avec un shunt Sh présentant plusieurs prises 1', 2', 3', 4'....; la bobine g est montée en dérivation entre un point fixe du shunt l'et l'un des autres points 2', 3', 4' par l'intermédiaire du re- lais à temps Ht, dont le balai 5 est connecté à l'enroulement g tandis que les plots 2, 3, 4 sont reliés respectivement aux points 2', 3', 4'... du shunt. Dans la figure, on a sup- posé que le relais Rt comporte un plot mort 1 et trois plots utiles,mais ce nombre peut être quelconque. Le contact ijk (figs.1 et 2) est à deux directions; dans les conditions nor- males, le contact mobile 1 touche le contact fixe 1 qui est en liaison avec une bobine b' d'un électro de maintien et avec la bobine bt du relais à temps Rt; d'autre part, le con- tact fixe k est en liaison avec un interrupteur 6 et la bo- bine Dj du disjoncteur.
Les bobines bt, b', Dj peuvent être alimentées par une source auxiliaire SA lorsque l'interrup- teur 7 est fermé.
Un dispositif de protection comporte trois relais de distance ayant chacun un contact ijk et un relais b': un seul relais de temps Rt comportant: une bobine bt, trois contacts 6 et trois commutateurs Co, un interrupteur 7 fai- sant partie d'un système de relais dont on parlera plus loin et un dispositif permettant de monter les trois bobines h des trois relais de distance sur les tensions simples en cas de défaut à la terre.
La fig. 3 représente un ensemble de relais destinés à mettre en route le système formé par le relais de distance et le relais à temps, lorsqu'un défaut se produit dans le réseau dans la région qui doit être protégée par le dispositif de protection sonsidéré. Le rôle de l'ensemble de relais re- présenté dans la fig. 3 est de fermer l'interrupteur 7 de la fig 2 dès qu'un défaut se produit.
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Les relais qui constituent cet ensemble peuvent être de types assez variés; pour préciser, on a choisi des relais qui forment un ensemble simple et de fonctionnement sûr dans tous les cas. Dans la fig. 3,Rt représente un re- lais de terre qui ferme ses deux contacts 1 et 2 lorsqu'un contact se produit entre un fil de ligne et la terre; le re- lais RI est un relais à courant inverse, qui ferme son con- tact 3 lorsqu'un défaut se produit entre deux fils de ligne.
Les deux relais RT et RI sont suffisants: pourtant, pour le cas très peu probable d'un défaut équilibré, on a prévu aussi un relais à maximum de courant RM qui ferme son contact 4 lorsque le courant dans la phase dans lequel se trouve le relais dépasse une certaine limite. Quand un des contacts 1, 2, 3 ou 4 est fermé, le courant de la source auxiliaire SA passe dans la bobine d'un relais auxiliaire RA qui ferme l'interrupteur marqué 7 dans la fig. 2. En outre, en cas de défaut à la terre, le relais RT met le courant sur un relais auxiliaire RE dont le rôle est de monter les trois circuits des tensions des trois relais de distance sur les tensions simples.
Le fonctionnement de l'ensemble est le suivant: lorsqu'un défaut se produit sur le réseau, l'un des relais RI, RT ou RM de la fig. 3, suivant la nature du défaut, ou deux ou même tous les trois, ferment leurs contacts, ce qui met le courant sur le relais RA et celui-ci ferme l'inter- rupteur 7 de la fig. 2. La fermeture de cet interrupteur fait passer le courant de la source auxiliaire SA (fig. 2) à travers le contact ij, normalement fermé si la puissance a le sens convenable, dans les trois bobines b' des trois re- lais de distance qui ferment les contacts 8, ce qui permettra aux contacts ij de s'ouvrir sans danger pour eux, et la bo- bine bt du relais à temps Rt.
Ce relais ferme alors les trois
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contacts 6 des trois relais de distance, en même temps que les trois balais 5 se mettent en mouvement dans le sens des flèches.
Les bobines du relais de distance sont connectées de façon que Inaction entre les bobines ef et h, lorsque la puissance va dans le sens convenable, ferme le contact ij, tandis que Inaction entre les bobines cd et g, lorsque le courant passe dans cette dernière, tend à fermer le contact ik.
Si donc, le balai 5 du relais Rt s'est mis en mouve- ment, il touchera presque immédiatement le plot 2, ce qui mettra la bobine g sur la position l' 2' du shunt et fera passer dans cette bobine une fraction du courant I, ce qui donnera une action contraire à celle entre les bobines ef et h. Si alors le relais de distance considéré se trouve sur la phase défectueuse (en supposant pour fixer les idées un con- tact entre une phase et la terre) et si le défaut est assez franc et le relais assez voisin du dêfaut, la tension U aux bornes de la bobine f sera faible et l'action entre les bo- bines cd et g pourra la dépasser suffisamment pour amener la fermeture du contact ik, ce qui fera passer le courant de la source auxiliaire SA dans la bobine D j du disjoncteur à tra- vers le contact fermé 6,
avant que le balai 5 ait abandonné le plot 2. Le circuit étant ouvert, les relais RT, RI et RM ouvrent leurs contacts et l'interrupteur 7 de la fig. 2, ce qui coupe le courent des bobines b' et bt; les contacts 8 et 6 s'ouvrent et le balai 5 du relais Rt revient sur le plot 1; le courant dans la bobine g est coupé et le contact i revient sur j.
Si le défaut se trouve plus éloigné ou s'il est moins franc;, de facon que l'action entre les bobines ef et h soit supérieure à celle entre cd et g lorsque le balai 5 se , trouve.sur le plot 2, ce balaie continuant à tourner dans le même sens, arrivera, au bout d'un certain temps,; à toucher le
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plot 3 et mettra la bobine g sur une position plus grande du shunt 1' 3', ce qui augmentera la fraction du courant passant dans la bobine g et l'action entre celle-ci et les bobines cd; si cette action est suffisante, on aura la suite des phéno- mènes qui amènent la coupure du disjoncteur Dj, sinon, le balai 5 continuera à tourner et, au bout d'un nouveau temps, arrivera à toucher le plot 4 et ainsi de suite.
Comme on le voit, l'ouverture du disjoncteur Dj aura lieu au bout d'un temps d'autant plus long que le défaut sera plus éloigné du relais,d'où sélection, le relais le plus voi- sin du défaut fonctionnant avant les plus éloignés.
Le relais de distance peut être un relais de réactan- ce, de résistance ou mixte. Si on le suppose électrodynamique comme dans le cas étudié précédemment et si la résistance du circuit de la bobine h (fig. 2) est négligeable devant sa réactance, l'action entre cette bobine et les bobines ef donne un couple C de la forme: (1) = AU! sin, expression dans laquelle est le déphasage entre U et I; d'autre part, le couple C' de sens contraire provenant de l'action des bobines cd sur la bobine g est de la forme:
(2) C' B12,
Le relais fonctionnera lorsque le couple C' aura dépassé légèrement le couple C; la limite de fonctionnement correspond donc à l'égalité: (3) b12 = AUI sin ou: u/I sin B/a =k ou encore (4) S = k, S u/I sin
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étant la réactancede la partie défectueuse de la ligne com- prise entre le relais et le défaut ; constante k dépend de la partie du shunt qui alimente,la bobine g, donc de la po- sition du balai 5 du relais Rt (fig. 2).
Si, dans le circuit de la bobine h, on a une résis- tance r et une réactance s, le couple C sera de la forme: (1') C = AUI cos (#-#), l'angle # dépendant de r et de s; comme C' a la même expres- sion (2) la limite du fonctionnement du relais aura lieu pour: (3') AU;:: cos ( 3 -#) = BI2 ou pour U/I cos (#-# = k qu'on peut écrire: (4') R cos CC+ S sin = k en posant:
R U/I cos et S U/I sin #
On obtient ainsi un relais mixte dont le fonction- nement dépend de la résistance et de la réactance de la par- tie défectueuse de la ligne.
Dans l'exemple donné ci-dessus, on a supposé que le relais de dis Lance est un relais électrodynamique balance;, r mais il peut être d'un système quelconque fournissant les deux couples de signes contraires C et C'; ainsi, par exemple, on pourrait prendre un appareil électrodynamique à deux ca- dres mobiles solidaires qui remplaceront les bobines g et h et une bobine fixe qui remplacerait les bobines c, d, e, f; de même qu'on pourrait prendre un appareil d'induction etc.
Le relais à-temps Rt peut être aussi d'un modèle différent de celui indiqué schématiquement fig. 2. Ainsi, les plots 2,
3,4... peuvent être de largeurs différentes; leur nombre peut être angmenté et, à. la limite, on aura une variation de temps de fonctionnement presque continue, suivant une courbe
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voulue, qui dépendra de la largeur des divers plots. On peut aussi introduire des résistances appropriées entre les plots ou remplacer l'ensemble par un rhéostat plus ou moins continu et dont la résistance varie avec la position du balai 5 sui- vant une loi choisie d'avance.
Le relais à temps peut avoir aussi des plots qui sont connectés non pas au shunt Sh, mais ànd'autres circuits, par exemple, à la bobine d'un relais auxiliaire qui ouvrira le disjoncteur si les contacts avec les divers plots du relais d'impédance n'ont pas fait fonc- tionner celui-ci.
EXEMPLE II -----------
Dans le cas d'un défaut entre fils de lignes, il est indiqué de construire chaque relais de façon que les ampère- tours des bobines fixes et ceux de la bobine mobile en déri- vation sur le shunt soient proportionnels à la différence géo- métrique des courants dans deux fils de phase, par exemple (Il - 12).
On peut obtenir ce résultat à l'aide de trois trans- formateurs de courant dont les secondaires soient montés en ¯ et en faisant passer dans le circuit comprenant le shunt et les bobines fixes la résultante des courants secondaires des transformateurs 2 à 2. La figure 4 donne le schéma d'un mon- tage suivant ce principe: t1, t , t3 sont les secondaires de trois transforma- teurs de courant: (cl el) ,(c2 e2), c5 e5) les deux bobines fixes de chaque relais; g1 h1), (g2 h) et(g (h3) les bo- bines mbbiles, sh1, sh2 et sh les shunts.
On voit facilement que le shunt et les bobines fixes de chaque relais sont par- courus par les courants: (12-12) ,(12-13), (13-11) n -
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EXEMPLE III ------------
On peut aussi, d'aprèsl'objet de ce brevet, consti- tuer les bobines fixes de chaque relais par un enroulement double. Dans les deux enroulements de chaque relais, on fait passer les courants de deux fils de ligne dans un sens conve- nable de façon que les ampèretours dans les bobines fixes soient proportionnels à la différence géométrique des cou- tants dans les deux fils. D'autre part, chaque shunt sera en série avec l'un des enroulements fixes, tandis que l'en- roulement mobile ampéremétrique de chaque relais (g1,g2 ou g3) est monté sur les deux shunts parcourue par les cou- rants qui passent dans les deux enroulements fixes.
On voit facilement que, avec ce dispositif,on obtient les mêmes résultats pratiques qu'avec le précédent.
La figure 5 donne le schéma d'un montage réalisé d'après ces principes: 1, 2, 3 sont les trois fils de ligne; t1, t2, t3 les secondaires de trois transformateurs de cou- ra.nts; R1,R2, R les trois relais de distances; (cI' el) et (ci e1') les deux enroulements pratiquement identiques constituant: les bobines fixes du relais R1; (c2 en) et (c'2 e'2);
(cô es) et (c'3 c'3) les enroulements correspon- dants pour les relais R2 et R ; sh1,sh2 ,sh3 les trois shunts parcourus respectivement par les courants 11, 12, 13. proportionnels aux courants dans les trois fils; g1, g2 ,g3 les enroulements smpéremnétriques mobiles des trois relais: on voit que l'enroulement g1 est monté entre les deux points homologues a1 et a2 des shunts sh1 et sh2, de même g2 est connecté entre a2 et a et g3 entre a3 et a1; h1, h2,h3 sont les enroulements mobiles voltmétriques, alimentés par les tensions composées.
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EXEMPLE IV -----------
Si l'on veut protéger le fleed,7;% contre les courts- circuits entre une phase et la terre, il y a avantage à avoir dans les bobines fixes des ampèretours proportionnels res-
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pectivement à (Il + kIo) , (12 +klj (13 + kI0) , 10 étant le courant de terre, résultante des courants Il ,12 et 13, k une constante appropriée dépendant des réactances propres des lignes et de la terre et des réactances mutuelles entre fils de ligne ou entre fils et terre, et aussi des résistances et capacités. On doit de même s'arranger pour
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obtenir dans les bobines mobiles ampéreiaétriques des ampè- retours proportionnels aux mêmes quantités (Il + kic),
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(Eg + kIO) , (13 + kIo).
D'après l'invention, on obtiendra ce résultat, soit à l'aide de transformateurs spéciaux fournissant des courants
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proportionnels à (Il + kIo) , (12 + kio) et (13 + kIo); dans ce cas, les relais de distance garderont leurs formes simples indiquées dans le brevet; soit en employant des relais à enroulements doubles dans les bobines fixes - les deux en- roulements ayant un même nombre de spires ou des nombres de spires différents - tandis que les enroulements mpéremétri- ques des bobines mobiles seront montés sur un ensemble de deux shunts dont l'un est parcouru respectivement par le courant Il , I ou 13 proportionnel au courant dans le fil de ligne correspondant tandis que l'autre, le même pour les trois relais, est parcouru par le courant 10 ou par un cou- rant k10 fourni par un transformateur ou un auto-transfor- mateur;
dans ce dernier cas, le quatrième shunt sera prati- quement identique aux trois autres.
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La. figura6 donne le schéma d'un montage réalisé
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d'après ces prinries: tl , t , t3 sont les secondaires de trois transformateurs de courant montés sur les fils 1, 2, 3
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du feeder: AT un Lmtotransformateur dont le primàire est parcouru par le courant de terre; Rl ,R2, R les trois relais de distance dont les enroulements fixes sont respec-
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tivement (cI el) et (e'l e'l}" (c2 eg) et (ce 2 e'2) , (ci eg) et (c'D e'3) : 91 , 92 g3 sont les enroulements mobiles ampèremétriques et hl , h , h3 les enroulements voltmétriques de ces relais; shl , 8h2 ' sh3, sho quatre shunts supposés identiques: ao , al , a2 ' a sont les points entre lesquels on connecte les enroulements g1,g2 ,g3.
On voit facilement que, si k est le rapport de
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transformation de l'autocransformateur AT, les enroulements fixes cel e3l , ce2 e32 , c5, e'3 ainsi que le shunt sho sont parcourus par le courant 2ilo et que les courants dans les enroulements t-1 e 1 92 g4 sont respectivement (Il + kso) , (12 + k.10) et (!# + klo)'
Dans le cas étudié ici, les enroulements h1, h2, h3 seront alimentas de préférence par les tensions simples.